(厦门大学化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,福建省理论与计算化学重点实验室,福建 厦门 361005)
(State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,Fujian Provincial Key Laboratory of Theoretical and Computational Chemistry,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
silicon-based materials; planar tetracoordinate silicon; activation; conversion; first-principles calculation; ab initio molecular dynamics simulationsdoi:10.6043/j.issn.0438-0479.202005011
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.202006016
备注
硅基半导体已广泛用于光电转化和现代通信等不同领域,新型硅基材料的发展,有助于应对功能材料在现代科技领域面临的挑战.本文主要介绍本课题组近年来在新型四配位硅基材料领域中的理论设计与计算模拟,包括新型四面体硅基材料和平面四配位硅基二维单层材料.基于Si(C≡C)4结构单元,设计了一系列类金刚石结构的宽带隙半导体材料,预测了它们的结构、光电及力学性质,分析了平面四配位硅的成键特征及其稳定化策略,探讨了含平面四配位硅的二维单层材料在锂离子电池和CO2活化转化中的应用.
Silicon-based semiconductors have been widely used in photoelectric conversion,modern communication,etc.Development of novel silicon-based materials will help us to tackle challenges of conventional materials in modern science and technology.Here we focus on our recent work in rational design and computational characterization of the novel tetracoordinate silicon-based materials,including the tetrahedral silicon-based materials and planar tetracoordinate silicon-based two-dimensional monolayers.Based on the Si(C≡C)4 building block,we have constructed a series of diamond-like wide band-gap semiconductor materials,and their structures,photoelectric and mechanical properties have been investigated theoretically.Furthermore,the bonding features and stabilization strategies of the planar tetracoordinate silicon(ptSi)are discussed,and plausible applications of ptSi two-dimensional monolayers in the lithium-ion battery and catalytic activation and conversion of CO2 are also explored.
引言
硅元素在地壳中的含量仅次于氧,十分丰富.基于硅的功能材料,如单晶硅、多晶硅及n型和p型掺杂半导体等,在光电转换、现代通信、航空航天、人工智能等领域有着广泛的应用.随着科学与信息技术的快速发展,对硅材料的要求也越来越高,硅基新材料,如锗硅材料(SiGe)、绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)、硅碳氮化物(SiCN)等[1-3],在多学科领域中受到关注和广泛研究.在高性能紫外光探测器研究中,β-碳化硅(β-SiC)[4]和金刚石[5]、氮化镓(GaN)[6]及一些金属氧化物[7]等宽带隙半导体材料一样,具有非常好的应用前景.单晶硅是一种重要的半导体材料,但其禁带宽度只有1.12 eV,光的吸收区域集中在红外区,且属于间接带隙半导体,制约了其在紫外光电领域中的应用.通常,通过掺杂取代等结构修饰,可以改变材料的几何构型和电子结构,进而调控材料的带隙[8-10],这为硅基材料在光电器件中的广泛应用提供了可能.
已有研究表明,由于Si存在3d轨道,可以和相连三重键的SymbolpA@*轨道产生跨空间离域的共轭相互作用,从而提高这类结构分子的发光量子产率[11].2014年,Geyer等[12]在实验上成功合成了去保护基的四乙炔基硅烷分子,相应的理论计算结果显示,其最高占据分子轨道(the highest occupied molecular orbital, HOMO)主要由乙炔基的SymbolpA@轨道贡献,而其最低未占据分子轨道(the lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)主要来自Si的3d轨道与乙炔基反键SymbolpA@*轨道间的共轭相互作用.本课题组进一步计算了四丙炔基硅烷分子,类似地,其LUMO主要由Si的3d轨道与C≡C的SymbolpA@*贡献,Si(C≡C—CH3)4四面体结构的d-SymbolpA@*成键作用具有跨空间离域特征,如图1所示.基于Si(C≡C)4结构单元,本课题组设计了一系列类金刚石晶体材料,并详细探讨了这类新型四面体硅(tetrahedral tetracoordinate Si,ttSi)基材料的结构特性、稳定性及其光电性质.
Si原子最外层电子排布为3s23p2,通常采用sp3杂化与其他原子成键,形成ttSi构型,这是Si原子最常见的四配位结构模式.然而,平面四配位硅(planar tetracoordinate Si,ptSi)体系近来也逐渐引起人们的兴趣.ptSi的概念来源于平面四配位碳(ptC).1970年,Hoffmann等[13]通过对平面甲烷结构模型计算分析,讨论了ptC的成键性质.1976年,Collins等[14]从理论上预测了第一个含ptC的分子.1977年,Cotton等[15]在实验上合成了第一例含ptC的化合物.作为同一主族元素,Si与C有很多相似之处,随着对ptC研究的深入,ptSi也逐渐受到关注.1979年,Würthwein等[16]理论预测了C和Si分子
图1 四丙炔基硅烷Si(C≡C—CH3)4的四面体四配位结构(a)及其简并三重LUMO轨道(b~d)
Fig.1 The tetrahedral tetracoordinate structure of tetrapropynyl silane Si(C≡C—CH3)4(a)and its 3-fold degenerate LUMO orbitals(b-d)图2 四丙炔基硅烷Si(C≡C—CH3)4分子与新设计的类金刚石材料的结构
Fig.2 Structures of tetrapropynyl silane Si(C≡C—CH3)4 and the newly designed diamond-like materials1 新型ttSi基宽带隙半导体
1.1 组成与结构图2(a)给出了四丙炔基硅烷分子的结构图,本课题组选取该分子中心骨架,基于Si(C≡C)4结构单元,首先设计了SiC4固体材料[24],结构图见图2(b).计算表明,SiC4固体材料在紫外光区有非常宽的强吸收,可用于极端条件下紫外光探测器研发.通过对其中心Si及其连接结构单元进行替换修饰,可以获得更多性能可调的半导体材料[24-26].Si与Ge属于同主族元素,二者都有d轨道且可以参与成键,通过Ge取代Si,可以获得与Si基材料类似的一类四面体Ge基新材料.C≡C 与B≡N属于等电子体,但BN存在显著的电荷极化,在调控材料的电子结构上有着重要应用.因此,通过B≡N取代C≡C,有望获得不同光吸收波段的材料.此外,C≡C或B≡N链长的长度也可以影响材料的性能,为此,通过第一性原理计算,研究了不同链长下材料的性质(A(X≡Y)4,其中:A=Si,Ge; X/Y=C,B,N)[25],图2(c)~(i)给出了组成和结构修饰材料的结构图.最后,本课题组选取实验合成的Si(Ar―C≡C―C6H4―C≡C)4分子,搭建了跨空间的三维材料(C40H16Si,图2(j)),研究这类高链长结构体系的电子和光谱性质[26].
基于Si(C≡C)4结构单元,本课题组考虑了9种不同的类金刚石材料.从优化后的结果来看,同类型的掺杂取代,对晶格的空间对称性与大小影响比较小,如SiC4与GeC4的晶格常数分别为1.122和 1.159 nm,同样地,对于C≡C与B≡N之间的取代,晶格常数也相差不大.表1给出了这9种材料的密度,可以看出,Ge取代Si会相应增大材料的密度,B≡N取代C≡C对密度的影响不大,增加链长可以显著降低材料的密度,如C40H16Si的密度只有0.18 g/cm3,远小于SiC4的0.74 g/cm3.
1.2 稳定性对于一种新设计的材料,评估其稳定性非常重要,新设计的几种材料的结合能如表1所示.可以看出,SiC8的结合能最大,为6.68 eV/atom,而Ge(BN)4最小,为5.17 eV/atom,这说明掺杂对材料的热力学稳定性有比较大的影响.但Si晶体的结合能为4.6 eV/atom,比新设计的任何一种材料的结合能都小,这说明这几种类金刚石材料应当具有比较好的热力学稳定性.
接下来本课题组通过从头算分子动力学(ab initio molecular dynamics,AIMD)模拟计算,考察了这几种材料在高温环境下的热稳定性.AIMD模拟显示:这些宽带隙半导体材料的构型与体积在不同温度下的变化不大,没有发生键的断裂,各种温度下原子间的径向分布函数峰型表现一致,说明这几种材料在高温环境下依然具有比较好的稳定性.
1.3 力学性能这9种材料的杨氏模量和泊松比的大小列于表1,可以看出,这些材料的杨氏模量都比较小,远小于金刚石(1 019.2 GPa)和单晶硅(122.9 GPa)杨氏模量的计算值,这说明这几种材料抵抗形变的能力比较弱,具有非常高的柔软性.从泊松比上看,除了C40H16Si的泊松比相对较小,其他8种材料的泊松比非常接近0.5,显示出这几种材料的不可压缩性.整体来看,这些新设计的类金刚石结构材料普遍具有高柔性、不可压缩以及力学稳定的特点.
1.4 电子结构应用PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)和HSE06泛函,本课题组研究了这9种材料的能带结构,计算结果列于表1.通常,PBE方法会低估材料的带隙,本课题组计算的结果也印证了这一点.对于本课题组计算的这几种材料,HSE06泛函得到的带隙要比PBE方法大1 eV左右,大多数材料属于宽带隙半导体.从结构修饰效果来看,Ge取代中心Si会增大带隙,而C≡C 或B≡N链的延长会减小带隙,这表明上面两种方法可用于硅碳材料能带结构的调控.这9种材料的带隙类型也有所不同,除了SiC8和GeC4属于间接带隙半导体,其他7种材料均属于直接带隙.由于直接带隙半导体对光的利用率较高,多应用于发光器件,所以本课题组设计的这几种材料,大多数可用作光电转化器件.态密度以及前线能带电荷密度的计算表明,这几种材料中Si/Ge原子的d轨道,对价带顶或导带底有贡献,和分子体系一样,Si的d轨道可以和相邻的C≡C或B≡N结构单元形成d-SymbolpA@*共轭作用.这种跨空间的离域成键作用有利于导带电子的传输,提高材料发光量子产率和光电导性[11].
1.5 光电性质图3给出了9种类金刚石半导体材料的预测电子吸收光谱[24-26],其中α为吸收系数.考虑到计算资源的限制,对于长链连接单元的C40H16Si材料,电子吸收光谱计算采用PBE泛函,其他均采用HSE06泛函.从图3可以看出,C40H16Si在紫外区已经有明显的吸收,考虑到PBE方法会低估带隙,C40H16Si的实际吸收谱会向高能区移动.相比于单晶硅,这9种材料的吸收光谱均发生了明显的蓝移,在紫外区有明显的吸收峰.随着C≡C或B≡N链的增长,吸收带向低能区移动,且强度也有所降低.B≡N取代C≡C,导致低能区的吸收峰分裂,并伴随着吸收强度的降低.而用Ge取代Si,会增强吸收谱的强度.整体来看,取代结构修饰能够调控吸收光谱的峰位与强度.这9种材料强吸收主要位于紫外光区,显示它们在紫外光电器件领域有好的应用前景.
对于SiC4晶体,本课题组进一步计算了沿各个高对称点方向的有效质量,发现电子的有效质量与空穴的有效质量均比较小[24],如HSE06方法预测,电子和空穴沿R-Γ方向的有效质量分别为0.257 me和0.440 mh,R-M方向则为0.230 me和0.239 mh(me和mh分别表示静止电子和空穴的质量), 表明SiC4晶体是一种激子分离非常快速的材料,这在一定程度上能够增加光电转换效率.此外,针对SiC4晶体的结构特性,本课题组设计了Si14C36H20团簇模型,构建其与Au表面电极的电子器件,得到了相应的I-V曲线.I-V曲线的结果表明:在0~1.6 V的偏压下,材料表现出电阻常量的特点; 当偏压到1.6 V时,整体电流小于0.04 nA,这说明在暗环境下,SiC4半导体具有极低的电导性[24,27].总之,SiC4半导体表现出独特的电子光学特性以及力学和光控电导性质,非常适合极端条件下对紫外光探测器材料的性能要求.
2 ptSi基二维材料
2.1 稳定ptSi的策略先前的计算表明[16],将SiH4限制平面化之后,其平面构型的HOMO轨道表现出σ成键特征,而LUMO轨道具有SymbolpA@反键特征,这说明ptSi是σ-给体和SymbolpA@-受体,因此富电子SymbolpA@-给体取代基团可用于稳定ptSi.本课题组首先构建了C12H8Si分子,通过理论计算探讨了平面化C12H8Si分子的策略[28].结构优化和振动频率分析揭示,C12H8Si分子并不能保持稳定的平面结构,通过面外形变演化为稳定的四面体构型(tt-C12H8Si),如图4(a)所示,tt-C12H8Si分子的HOMO和LUMO能级差为2.5 eV.限制性结构优化获得的平面构型(pt-C12H8Si)的HOMO和LUMO的能级差减小至0.6 eV,LUMO与LUMO+1轨道准简并,且LUMO+1与LUMO+2轨道的能级差增大到2.7 eV(图4(b)).显然,和ttSi构型相比,ptSi的形成显著降低LUMO和LUMO+1轨道的能级,导致pt-C12H8Si可容纳4个额外电子,展现出强的储电子能力.
金属Li原子具有非常强的给电子能力,为此本课题组考察了Li与pt-C12H8Si分子间的相互作用及ptSi的稳定化策略.计算结果表明:当C12H8Si分子与4个Li原子相互作用后,得到了稳定的含ptSi的复合物pt-C12H8Si-4Li,如图4(c)所示,其HOMO和LUMO的能级差由0.6 eV增加到2.5 eV,具有稳定的电子结构.既然通过C12H8Si分子与Li原子的相互作用可以获得额外电子,形成稳定的ptSi结构,那么通过对C12H8Si分子本身的结构修饰应当也可以稳定ptSi.考虑到pt-C12H8Si的LUMO与LUMO+1轨道可容纳4个电子,于是本课题组将与Si相连的4个C原子替换成N原子(图4(d)),N原子比C原子多1个电子,多出的4个电子或许可以用来饱和低能的简并LUMO和LUMO+1轨道.计算结果证实了这一想法,N原子的取代得到了稳定的平面四配位C8N4H8Si分子(pt-C8N4H8Si).接下来,本课题组详细研究了pt-C8N4H8Si 分子的结构和成键性质.
AIMD的计算结果表明,pt-C8N4H8Si在高温环境下依然难以发生键的断裂,具有很高的热稳定性.核独立位移(nuclear independent chemical shift,NICS)值和诱导电流密度各向异性(anisotropy of the induced current density,AICD)的计算表明,该分子具有大环芳香性.然而,该体系具有16个SymbolpA@电子,并不符合休克尔4n+2芳香性规则,这引起了本课题组强烈的兴趣.为了解释这种反常现象,本课题组通过自然布局分析(natural population analysis,NPA)发现pt-C8N4H8Si中心的 Si 原子采取 sp2.01d1.01杂化与周围N原子成键,这意味着Si还有一个空的3pz轨道,可以接受周环上的SymbolpA@电子.碎片化轨道分析(fragmentation orbital analysis,FOA)的结果表明,Si的3pz轨道在HOMO和LUMO+2轨道中的占比分别为28%和69%,Si的3pz空轨道确实参与了周环骨架间的成键,接受了SymbolpA@反键轨道电子.因此,可以推测,pt-C8N4H8Si中16个SymbolpA@电子的分配方式有2种,即“14+2”和“16+0”,其中第1个数字代表周环上的SymbolpA@电子数,第2个数字代表Si的3pz轨道上占据的SymbolpA@电子数.块定域化波函数(block-localized wave function,BLW)方法计算结果表明,pt-C8N4H8Si分子的最稳定构型确实处于这2种SymbolpA@电子分布的共振态.这种共振的结果既使得周环上的SymbolpA@电子数满足休克尔规则,又填充了Si的3pz轨道,导致中心Si采取sp2d杂化形成平面四配位结构,避免发生sp3杂化形成四面体结构.
图中键长单位为pm.
2018年,Ebner等[21]实验合成了含ptSi的杯[4]吡咯氢化硅酸盐,但其成键特征并不是很清楚.基于实验合成分子的骨架,本课题组构建了C20H16N4Si分子模型(ptSi-N,图5(a)),基于广泛计算对其成键本质进行了讨论.从优化后的结构来看,C20H16N4Si分子中的Si保持很好的平面四配位结构.分子轨道分析表明,ptSi-N中Si原子采取sp2d杂化方式与周围4个N原子成键,而Si剩余的3pz空轨道与N原子的pz轨道形成共轭π键,即通过电子占据Si的3pz空轨道,得到了稳定的ptSi结构.值得注意的是,当本课题组用Ge原子取代Si原子,形成的C20H16N4Ge分子同样形成了平面四配位的Ge(ptGe-N,图5(b)),其平面构型的成键方式与ptSi-N类似.更深入地计算表明,当用B取代N时,同样可以形成稳定的平面四配位Ge(ptGe-B,图5(c)).本课题组对ptGe的成键方式进行分析,发现不同于ptGe-N,ptGe-B中Ge原子轨道并未发生杂化,而是其px、py轨道直接与周围4个B原子形成2个多中心两电子的σ键,另外,Ge的4pz轨道上的孤对电子与周围B原子的pz空轨道形成5c-2e的离域π键.并且当考虑C原子作为中心原子时,本课题组还优化得到了平面四配位的C20H16B4C分子(ptC-B,图5(d)),而其成键方式又有所不同,即在面内形成5c-6e的离域σ键以及5c-2e离域π键.因此,C、Si、Ge虽然处于同主族,但其平面四配位结构中的成键方式却有显著差异.这种差异主要来源于它们不同价原子轨道间的能级差.C原子外层的s、p轨道能级差较小,容易形成sp杂化后成键; 而Ge原子外层的s、p轨道能级差较大,不容易杂化,因此p轨道倾向于直接成键; Si原子外层的s、p轨道能级差介于C、Ge之间,因此既不容易进行sp杂化且p轨道也难直接成键,但Si原子有与s、p轨道能级较为接近的d轨道,可以通过sp2d杂化参与平面四配位结构成键.2.2 含ptSi二维材料的潜在应用前面的讨论表明,含ptSi的分子pt-C12H8Si具有强的储电子能力,可以接受4个Li的价电子形成稳定的ptSi结构.为此,本课题组以该分子骨架为基本结构单元,构建了SiC8二维材料(图6(a)),探讨了这类新型ptSi材料在锂电池方面的应用[28].从优化后的结构来看,虽然稳定的C12H8Si分子是非平面构型,但SiC8二维材料却是完全的平面结构,并且该二维材料的结合能为6.54 eV/atom,与SiC材料的结合能(6.51 eV/atom)相当,说明SiC8二维材料原子之间共价键的键合强度很强.声子谱预测结果和AIMD的模拟结果表明,该材料具有高的动力学和热稳定性.第一性原理计算显示,SiC8二维材料具有很强的电子接受能力.通过构建2×2×1结构单元胞,本课题组考察了SiC8二维材料与Li原子的相互作用,电子结构计算和AIMD模拟揭示,该结构单元具有储存24个Li原子的能力,图6(b)展示了其对应的结构.SiC8二维材料储电的理论容量为1 297 mAh/g,远大于石墨电极材料的容量(372 mAh/g)[28-29],预测的理论电压与目前的商业负极材料TiO2薄膜相当[30].同时,Li与Li+在SiC8二维材料表面低能迁移途径的能垒分别为0.10和0.19 eV,低于Li在石墨烯和石墨中的迁移能垒(约0.30 eV)[31],这说明Li与Li+均能在SiC8二维材料中快速迁移,有望应用于可快速充放电的高性能锂离子电池负极材料.
图6 SiC8结构单元(a)和嵌入24个Li原子SiC8的2×2×1超胞(b)的结构
Fig.6 Structures of the SiC8 building block(a)and the 2×2×1 supercell of SiC8 with 24 Li atoms(b)本课题组注意到,ptSi-C8N4H8Si中Si原子的3pz轨道接受了周环上SymbolpA@*键轨道电子,进而被部分占据,加之Si原子可利用的低能d空轨道,这意味着ptSi位点既有给电子能力又有得电子能力,类似卡宾的性质.进一步的计算表明,ptSi位点的给电子性能要强于得电子性能,为此,本课题组研究了ptSi和CO2分子间的相互作用.CO2分子具有非常高的结构和热力学稳定性,难以被活化,但考虑到它是一种路易斯酸,或许可以被ptSi活化.计算表明,ptSi-C8N4H8Si分子只能与CO2产生范德华相互作用,不能够发生化学吸附.为此,本课题组依次通过羟基取代周环上的H原子以增强ptSi位点的给电子能力,单羟基取代结构优化显示,中心Si原子会发生部分面外形变,令人惊讶的是,凸起的ptSi可以显著活化CO2,使CO2弯曲,并与CO2直接形成Si—C键(图7(a)).
接下来,本课题组研究了ptSi-C8N4H8Si分子形成的二聚体,该二聚体同样可以活化CO2,在ptSi位形成表面化学吸附态(图7(b)).对这种成键作用进行分析发现,二聚体中Si原子上的π电子密度比单体有所增加,这增强了ptSi的给电子能力.从分子轨道的角度来看,二聚体与CO2复合物的HOMO轨道主要由Si的3pz轨道与CO2中C原子的2pz轨道贡献,轨道间的成键相互作用驱动化学吸附态的形成.能量分解计算表明,电荷转移在Si—C成键中起到了决定性作用.本课题组基于ptSi-C8N4H8Si结构单元,通过2×2×1扩胞,构建了Si4N16C16二维材料,发现:CO2可以在该材料ptSi位上发生化学吸附(图7(c)),且几乎无能垒(0.05 eV),吸附后放出0.17 eV能量,在热力学上是有利的; 其他小分子气体,如CH4、N2和 H2只能与Si4N16C16 二维材料发生物理吸附,这意味着Si4N16C16二维材料可应用于CO2的捕获、活化以及小分子气体的分离.
图7 CO2在ptSi分子与单分子层上吸附的化学吸附构型
Fig.7 Chemisorption configurations of CO2 on ptSi molecular and monolayer3 结 论
Si基材料是重要的半导体,广泛应用于光电及现代通信等领域.随着科学技术的快速发展,Si基材料功能的进一步提升和应用将遇到瓶颈.近来的计算研究表明,通过对经典ttSi结构进行掺杂取代等结构修饰,可以调控Si基材料的性能,发展新型的Si基功能材料,如类金刚石宽带隙半导体材料,具有独特的光电和力学性能.Si除了典型的四面体构型外,其平面四配位结构体系及成键方式尚不明确.基于系统的理论计算和动力学模拟,本课题组设计了几类含ptSi硅的分子和二维纳米材料体系,研究了它们的结构、成键性质、稳定化策略及其在储能和催化CO2转化领域中的潜在应用.目前的结果对深入认识Si的成键特性及新型Si基材料的发展具有积极意义.可以推测,将ptSi引入到其他不同维度的材料体系中,同样可以调控它们的结构和性质,这将丰富新型Si基功能材料的发展思路,相关工作还有待进一步的理论和实验研究.
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